基于应用型创新人才培养的 “机车车辆振动基础” 课程教学改革

2022-12-17李娅娜谢素明齐鲲鹏

科教导刊 2022年27期

李娅娜，谢素明，齐鲲鹏

（大连交通大学机车车辆工程学院辽宁大连 116028）

培养高素质人才是各个高校教学改革的基本取向，是高校人才培养的核心任务。本科教育主要是培养应用型人才，应用型创新人才则属于应用型人才中的特殊类型。为了应对新一轮科技革命与产业变革挑战，支撑 “创新驱动” “新工科要求” “中国制造2025” 和 “中国教育现代化2035” 等一系列国家战略[1-4]，必须对传统的工程教育进行深化改革和创新，从培养应用型人才向培养应用型创新人才转变，为国家培养更多知识储备扎实、具有创新意识、创新思维、创新能力和创新精神的 “应用型创新人才” 。

各高校对振动理论相关课程和实践培训进行了相关研究。2012年开始，同济大学的郭荣等人对 “机械振动学” 课程进行了改革探索，采取理论讲授、电算教学和综合性实验等多种教学模式，改变以试卷评价为主的单一形式，将综合能力和人格养成作为评价内容[5]。2016年海军航空工程学院韩维等人对 “机械振动” 课程在课程内容体系、教学方法、教学手段和实验室建设等方面进行了较为完整的探索研究和实践，尤其是在学生创新能力培养方面，采用带实际装备背景的问题式教学方式，将学生论文选题中涉及振动和动力学研究方面的题目作为课堂教学、课后研究的延伸，以实现理论与实践的完美结合[6]。2017年上海应用技术大学潘玉娜对 “机械振动基础” 课程开设的必要性，探讨了课程设置的基本思路。通过教学实践，分析了存在的问题及今后教学需要修正的地方[7]。北京科技大学的郜志英等用数值仿真处理机械振动课程若干教学难点，使得抽象问题形象化，理论问题趣味化，促进学生对振动现象和规律的深入理解和应用，强化学生在工程实践中分析问题和解决问题的能力[8]。2019年江苏大学的王勇等人分析 “机械振动基础” 课程教学中存在的问题，通过将现代教育理念及模式与教学相融合、密切结合理论教学与实际工程、将仿真软件融入教学手段，培养学生分析与解决实际问题的能力，提高教学质量[9]。沈阳航空航天大学潘五九等人，在 “中国制造2025” 战略下对机械振动学进行教学研究，对课程的理论和实验教学模式进行了改革，加强了学生的动手能力和创新能力。

为了大连交通大学车辆工程专业工程认证和一流专业的建设，需要对 “机车车辆振动基础” 课程进行改革，让学生能够充分掌握理论知识，在满足工程教育应用型人才培养的基础上，提高学生的创新和实践能力。

1 课程现状

以学生为中心，从学生已有的知识经验、学生学习能力、学习风格和学生对这门课的期望度等方面进行分析，原有的教学理念、教学内容和教学模式不再适用，问题在教学中逐渐浮现，具体表现在四个方面：

第一，基础知识不扎实，缺少连贯性，存在原有知识与新知识相互脱节的问题。 “机车车辆振动基础” 课程学习需要大量数学和力学方面的基础知识，如果基础理论知识掌握不扎实，不能融入新的课程中，就使得新旧知识严重脱节，如果不能用力学知识建立振动数学模型，就不能合理地使用高等数学和线性代数来求解振动规律，不具备解决复杂结构的动力学问题的思维能力。

第二，学习兴趣不高，不喜欢主动学习和思考。信息化时代，教学内容更新速度很快，传统的教学方法和手段很难适应新时代学生的需求，如果不能提高学生的学习兴趣，就不能发挥学生的主观能动性，更不能培养学生的自主学习能力和创新性思维能力。

第三，理论学习多，实践应用少。原有课程具有教学内容多、课时少、概念复杂、难度较高等特点，偏重理论学习，缺少相应的物理实验，更没有相应的虚拟实验平台，满足线上教学的条件。不能很好地培养学生的观察能力、创造能力和实践能力。

第四，学习知识多，思政教育少。理工科类专业课程不同于人文社科专业课程，课程教学中如何把思政落到实处比较难，如果不能根据专业特点、课程性质提炼思政元素，就不能把振动专业课知识的科学价值精髓传递给学生，让学生理解科学理论价值与中国轨道车辆发展的时代意义，更不能培养具有科学素养、责任感的高级工程技术人才。

2 改革措施

2.1 基于思维导图的课程内容的三维重构

在掌握大量数学和力学基础知识的基础上，用各种振动方法理论思想，借助传统力学公式建立各种系统振动数学模型，并根据高等数学和线性代数进行求解分析，从纵向（简单到复杂振动系统）、横向（单一自由度振动形式）和垂向（各种求解方法）三个维度，用思维导图串联新旧知识，了解和掌握知识层面的信息，建立各种自由度振动系统的数学模型。

2.2 基于混合教学模式的多种形式教学方法和教学手段的再造

充分利用现代信息技术，丰富并创新课程形式，采用课堂+线上+线下+实践相结合的多种形式教学方法。伴随移动互联网、大数据及云计算等技术快速发展，除传统教学手段（课堂讲授、多媒体案例分析、分组讨论）等，开发移动学习平台、移动终端的学习通和手机公众号学习。

2.3 基于虚/实结合实验课程的二维开发

在线下物理实验项目单一和缺乏线上虚拟振动系统软件的情况下，一方面积极开发多种物理实验项目，另一方面指导学生使用flash，C++、Matlabd等软件及语言团队合作开发各种振动仿真模型，并在创新创业项目的支持下，自主开发线上虚拟实验系统，把课程中涉及的各主要章节的理论知识和虚拟实验平台相结合，在实验条件缺乏的情况下，完成网上实验训练。

2.4 基于案例设计的三阶段思政教育提炼

基于案例设计，分阶段进行思政教育，课程前期，通过文献综述查阅古今中外振动有利有弊的案例，引导学生思考振动对环境可持续发展的重要性；课程当中，融入最新工程案例讲解和分析，引导学生思考如何设计出平稳、安全的轨道车辆，树立历史责任感；课程后期，通过物理实验和虚拟实验训练等创新能力培养，为学生进行振动案例设计、研发和软件开发的职业规划方面奠定基础。

3 改革效果

3.1 学而有用

学生按照课程模块学习，从三个维度出发，从简单到复杂，建立单自由度振动、两自由度振动、多自由度振动和到弹性体振动，并把各种求解方法（牛顿第二定律、虚功原理、哈密尔顿原理、第二类拉格朗日方程及能力法等）串联起来，建立了各个模块的思维导图，有理论为主的思维导图，有公式为主的思维导图，同时把冰冷的数学公式用不同颜色、不同形状的动图表现出来，形象生动地完成了新旧知识的衔接，使学生了解数学、力学和振动课程学习都是有用的。

3.2 学而有趣

伴随着5G时代的来临以及越来越广泛普及及应用的移动智能终端设备及微信等应用软件的发展，教学方法和教学手段不断更新，每次上课都要进行课程设计，激发学生的学习兴趣。课堂讲授（课堂）：针对课程重点内容知识，老师进行集中授课，让同学们在最短的时间内掌握主要的知识内容，老师是主体，加强学生的学习能力；教学案例（线下）：授课教师利用科研团队强大的工程项目背景，开发了二十多种适合振动理论研究的案例，比如城轨、动车、高铁及悬挂设备等结构的振动，通过案例分析，一方面激发学生的学习兴趣，另一方面让学生了解我国轨道车辆安全运行存在的隐患，加强改善车辆运行平稳性和安全性的历史责任感；分组讨论与参与互动（线下+线上）：在学习通和手机移动公众号发布互动问题，每组4―6人以小组讨论形式完成，进行老师评价、小组评价和组内成员互评，老师从旁协助，学生为主体，培养学生独立思考的能力；移动终端学习（学习通和手机公众号）（线上）：逐步搭建了网上学习通平台，包括PPT文档，文献查阅、作业习题、问题讨论等，同时开发了手机移动端公众号，通过微信平台功能，学生除了可以查看上课的学习资料外，还可以与老师进行互动交流。

3.3 学而有变

根据工程认证和一流专业建设需求购买8个振动实验台，在原有实验项目基础上，开发多种与实际工程案例相结合的振动实验项目，比如简支梁和车体一阶垂弯物理实验与仿真模拟的对比。学生在基础理论学习的同时进行相关的实验操作，培养了学生的团队合作能力，学会了数据分析、数据整理及报告撰写的能力。同时针对疫情变化，在老师指导下，经过几届学生的共同努力，开发了虚拟振动实验平台，包括单自由度各种形式的振动曲线模拟、多自由无阻尼振动模拟、简支梁不同支撑条件的计算模态与仿真模态对比，复杂结构振动模态计算等。学生通过公众号了解实验安排和观看实验操作视频，并通过平台找到虚拟实验平台的连接接口，根据兴趣完成多个振动系统的实验。该虚拟实验系统获得大学生创新大赛优秀奖项并申请了软件登记。使学生认识本课程学习可以有多种变化形式：理论基础+物理实验+虚拟实验。

3.4 学而有思

进行学情分析，了解学生性格特点，培养学习兴趣，充分调动学生的主动性，在授课当中进行创新意识的培养，让学生在讨论问题的过程中，逐步把学到的基本知识和理论转变为个人的想象力和创造力，培养学生参加创新创业大赛，申请软件专利等实践能力。通过思政教育，把最新的科研成果带入课堂，开阔了视野，促进了学生的健康成长。使学生思考未来的学习和职业规划：有的学生在毕业设计中继续选择振动方面的研究并发表论文；有的学生坚定考研决心，进一步进行轨道车辆结构振动研究；有的发展个人编程兴趣爱好，选择软件工程师工作。